Forskere bruger naturens designprincipper til at skabe specialiserede nanostoffer

I naturen, celler og væv samles og organiserer sig i en matrix af proteinfibre, der i sidste ende bestemmer deres struktur og funktion, såsom hudens elasticitet og hjertevævets kontraktilitet. Disse naturlige designprincipper er nu blevet gentaget med succes i laboratoriet af bioingeniører ved Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering og School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ved Harvard University.

Disse bioingeniører har udviklet en ny teknologi, der kan bruges til at regenerere hjerte- og andet væv og til at lave nanometertykke stoffer, der er både stærke og ekstremt elastiske. Det vigtigste gennembrud kom i udviklingen af ​​en matrix, der kan samle sig selv gennem interaktion med en termofølsom overflade. Proteinsammensætningen af ​​denne matrix kan tilpasses til at generere specifikke egenskaber, og nanostoffet kan derefter løftes af som et ark ved at ændre temperaturen.

"Hidtil har det været meget vanskeligt at replikere denne ekstracellulære matrix ved hjælp af menneskeskabte materialer, sagde Adam W. Feinberg, en postdoktor ved Harvard University, som til efteråret bliver adjunkt ved Carnegie Mellon University. "Men vi tænkte, hvis celler kan bygge denne matrix på overfladen af ​​deres membraner, måske kan vi også bygge det selv på en overflade. Vi var glade for at se, at vi kunne."

Feinberg er hovedforfatter af "Surface-Initiated Assembly of Protein Nanofabrics, " som vises i det aktuelle nummer af Nano Letters, en publikation fra American Chemical Society. Medforfatter Kit Parker er et kernefakultetsmedlem af Wyss Institute, Thomas D. Cabot lektor i anvendt videnskab og lektor i bioteknik ved SEAS, og medlem af Harvard Stem Cell Institute.

Inden for vævsregenerering, deres teknologi, som kaldes protein nanostoffer, repræsenterer et væsentligt skridt fremad. Nuværende metoder til regenerering af væv involverer typisk anvendelse af syntetiske polymerer til at skabe et stillads. Men denne tilgang kan forårsage negative bivirkninger, da polymererne nedbrydes. Derimod nanostoffer er lavet af de samme proteiner som normalt væv, og dermed kan kroppen nedbryde dem uden skadelige virkninger, når de ikke længere er nødvendige. De første resultater har produceret hjertemuskelstrenge, der ligner papillærmusklen, hvilket kan føre til nye strategier for reparation og regenerering i hele hjertet.

"Med nanostoffer, vi kan kontrollere trådantal, orientering, og sammensætning, og denne evne giver os mulighed for at skabe nye vævstekniske stilladser, der styrer regenerering, " sagde Parker. "Det giver os også mulighed for at udnytte disse proteiners egenskaber i nanoskala på nye måder ud over medicinske anvendelser. Der er en bred vifte af applikationer for denne teknologi ved hjælp af naturlige, eller designer, syntetiske proteiner."

Højtydende tekstiler er den anden hovedanvendelse for denne teknologi. Ved at ændre typen af ​​protein, der anvendes i matrixen, forskere kan manipulere trådantal, fiber orientering, og andre egenskaber til at skabe stoffer med ekstraordinære egenskaber. I dag, et gennemsnitligt gummibånd kan strækkes 500 til 600 procent, men fremtidige tekstiler kan strækkes med så meget som 1, 500 procent. Fremtidige anvendelser for sådanne tekstiler er så forskellige som figursyet tøj, bandager, der fremskynder heling, og industriel fremstilling.

Forskningen er en del af et større program i nanotekstiler på Wyss Institute og SEAS. I samme nummer af Nano bogstaver, Parkers team rapporterede også om udviklingen af ​​en ny teknologi, der fremstiller nanofibre ved hjælp af en højhastigheds-, roterende stråle og dyse. Denne opfindelse har potentielle anvendelser lige fra kunstige organer og vævsregenerering til tøj og luftfiltre.

"Wyss Institute er meget stolte over at være forbundet med to så betydningsfulde opdagelser, " sagde Donald E. Ingber, M.D., Ph.D., Grundlægger af Wyss Institute. "Dette er gode eksempler på at realisere vores mission om at bruge naturens designprincipper til at udvikle teknologier, der vil have en enorm indflydelse på den måde, vi lever på."

Wyss Institute fungerer som en alliance mellem Harvards medicinskoler, Ingeniørarbejde, og Arts &Sciences i samarbejde med Beth Israel Deaconess Medical Center, Børnehospitalet, Dana Farber Cancer Institute, University of Massachusetts Medical School, og Boston University.

Ved at efterligne naturens principper for selvorganisering og selvregulering, Wyss-forskere udvikler innovative nye løsninger til sundhedspleje, energi, arkitektur, robotteknologi, og fremstilling. Disse teknologier omsættes til kommercielle produkter og terapier gennem samarbejder med kliniske efterforskere og virksomhedsalliancer.